風電并網中儲能技術應用的探討

趙燦燦

【摘 要】現代社會發展進步的同時，由于環境污染和傳統能源短缺問題日益嚴重，綠色環保新能源的開發利用已成為全世界關注的焦點。通過對風電儲能系統及控制方案的理論分析，論證了風電并網時，配合風電功率預測技術和電網調度技術，儲能系統可優化電網質量，從而可以提高風能的利用率，以及提高電網的經濟性。本文探討了風電并網中儲能技術應用。

【關鍵詞】風電并網；儲能技術；應用

為了改善風電系統動態響應特征，提高電力系統的穩定性和電能質量，在風電并網中應用儲能技術是十分有效的途徑之一。同時，對于多元化復合儲能系統，可以有效的響應風電并網儲能。在今后，多元復合儲能系統對于優化結構的系統組成，協調運行和控制等是儲能技術應用研究的重要課題。

1 風電并網存在的問題

第一，頻率穩定性問題，即部分風電機構在實踐生產過程中為了打造良好的額定功率輸出空間，注重在風電場建設過程中將DFIG 應用于其中，但由于DFIG 轉速與電網間存在著完全解耦控制效應，由此呈現出無法及時響應電網頻率的問題。同時，由于DFIG 在運行過程中慣性值處在0 的狀態下，最終促就了系統損失現象的凸顯。為此，當代風電并網領域在發展過程中，應提高對頻率穩定性問題的重視，并對其展開有效處理，將系統頻率偏移控制在標準范圍內。

第二，動態響應問題，即部分風電場在建設工作開展過程中，均采用ECS 并網形式，促就常規同步發電機與動態響應間呈現出差異性問題，最終削弱了系統故障保護能力。因而電網公司在并網操控過程中，為了打造良好的系統運作空間，應注重制定風電并網規范。

第三，低電壓穿越問題，即在風電比例較高區域，部分風電機組缺乏LVRT，繼而威脅到了并網運行環境的安全性，且就此誘發過電流等故障現象。

2 風電并網中儲能技術應用

2.1提高風電低壓穿透力

LVRT問題是風電發展過程中最為常見的難題，時刻影響著整個系統的穩定性。要提高系統LVRT 能力，需要從兩個方面入手。首先，要不斷改進系統的控制策略；其次是增加硬件設備投入來實現LVRT的提高。兩種方式各有利弊，后者投入更大，是當前主要方法。通常，電力系統會通過配置ESS來提高LVRT能力。由于電網的故障暫態短，因此，儲能系統需要具備快速反應能力，同時能夠在電網故障的情況下有效掛網運行。

2.2 降低風電的功率波動

風電輸出功率波動和風電的難以控制，是風電入網穩定性差、風力發電電能質量不高以及電能調度的經濟效益不高的重要原因。而在風電系統中適當配置ESS，并制定出科學合理的控制制度措施，可以有效平抑風電的功率波動問題，減少風速隨機變更對電力輸出產生的消極影響。抑制風電功率異常波動均采用若干單位組合的儲能單元來構成ESS，通過優化儲能單元的控制措施，實現最小化的儲能容量與最大化的使用壽命周期，都是風電并網中儲能技術應用研究過程中值得關注的問題。

2.3 控制風電系統的頻率

由于風電能輸出過程中具有較大的隨機性以及電量爬坡特性，常規的電力系統控制措施難以對其做出精準預測和有效控制，而且風電電網的頻率變化相應更加難以捉摸，這就無限加大了電網調頻的難度。而ESS擁有快速功率反應能力，而且能在正反雙向調節功率。

2.4 提高電力系統融入風電之后的整體穩定性

傳統電力系統在受到一定擾動后能較快恢復原狀，而一旦電網含有風電，由于風電機組與同步發電機不同，其瞬間功率的平衡性較差，造成穩定性較為特殊。而ESS 具有的快速功率反應能力，為提高電力系統融入風電之后的整體穩定性提供了科學途徑。利用SMES來優化含風電的電力系統穩定性，設計出SEMS控制器，運用槳距角控制和制動電阻等方式對比研究可以發現，ESS的控制效果較為出色。

2.5 優化風電的調度配置

利用ESS 增強風電輸出的可調度性，重點對其控制措施、配置容量以及運行經濟效益等方面的研究可以看出，采用蓄電池控制法，可使風電基地能夠在短期內具有良好的功率可調控性能。不過該方法充放電頻繁，不利于蓄電池的使用壽命保護。而風電與柴油機聯合的系統也面臨著儲能容量的問題亟待解決。但E SS的應用則是供電成本最低的，而且能有效提高電網的可靠性。

3 儲能技術在風電并網中的應用研究進展

3.1 儲能技術在LVRT 問題中的應用

為了提高風電系統的LVRT 能力，目前通常從單機和風電場兩個方面入手進行，有改進控制策略和增加硬件設備兩種方案。改進控制策略不需要增加額外硬件設備，不過改進控制策略無法從根本上來解決瞬時能量不平衡帶來的風電機組暫態過電壓和過電流問題，只在故障電壓變化不明顯的情況下有較好的效果，當故障電壓變化明顯時無法達到預期目的。增加硬件設備需要增加額外的成本，但效果明顯，能有效提高整個風電場的LVRT 能力，是目前最常用的一種方法。在單機層面，通常將ESS 并聯在風電機組ECS 直流母線上，當電網故障時利用ESS 的快速有功響應能力來存儲瞬時過乘能量，從而通過單機層面來保障機組的暫態穩定，超級電容器儲能、飛輪儲能等技術在單機層面提高LVRT 能力都有所應用。在風電場層面，通常在風電場出口母線上接入ESS，利用儲能系統來吸收系統無法送出的有功，以抑制電網故障時的瞬時故障過電流，并向電網連續、穩定的輸出無功幫助電網恢復正常，用以降低電網電壓崩潰的可能性，電容儲能、蓄電池儲能技術在風電場層面都有所應用。

3.1 儲能技術在改善系統功率波動中的應用

風電系統的波動性會給電網穩定性帶來不良影響，同時風電系統的不易控制性還會增加電網調度難度。在風電并網中，引入儲能技術利用相應的控制策略，能有效的降低風電出力波動的影響，抑制風電系統輸出功率波動。如在機組直流母線上并聯超級電容器，利用模糊理論來協調控制，從而平抑風電機組功率波動，這種方法需要準確的對風電機組出力進行預測，但對于大型風電場中的單機來說，受到尾流效應、塔影效應等多方面的影響，要對風電機組的出力進行預測有一定困難。在風電場層面，目前常用兩級ESS來協調控制，即短期儲能和中期儲能協調的方法，可能很好的適用于在線控制，能有效解決容量、響應速度等方面的問題。此外，也有采用能量型儲能和功率型儲能混合的方法，這種方法也具有較好的平抑功率波動能力。

3.3儲能系統在提高電網電能質量方面的應用

電力系統需要有較高的穩定性，當受到大的或小的擾動時，要能迅速恢復到穩定狀態，包括大干擾穩定和小干擾穩定。風電并網中，風電機組與同步發電機不同，造成其穩定性的根本原因主要是由于系統瞬間功率的不平衡。利用儲能系統的快速響應能力，能有效提高風電系統的穩定性。在大干擾穩定控制方面，主要針對同步發電機功角和風電機組轉速變化進行，利用儲能系統來根據槳距角、制動電阻進行控制。對于小干擾穩定，則主要采用特征分析法，考慮風電接入對電網系統的小干擾穩定影響較小，這方面的應用目前還相對較少。整體上，雖然儲能系統能很好的提高風電系統的穩定性，但受風電系統非線性運行的影響，在儲能系統的參數配置上還存在很大困難，整體應用水平還較低。

總之，風電是典型的隨機性、間歇性電能，其并網后將在一定程度上造成電網電壓、頻率不穩定等負面影響，致使電能質量下降，影響電網健康工作。如果這些問題處理不當，不僅危害電網負載，甚至會導致整個電網崩潰，給生產生活帶來巨大損失，同時也嚴重影響風電的發展。

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（作者單位：新疆新能鋼結構有限責任公司）